散货船舱识别的物联网设计与路由算法改进

　　0 引 言

　　随着国内经济企稳回升、欧美市场复苏，以及上海国际航运中心建设的加快，我国港口货运吞吐量增长显著，但是国内绝大部分港口散货装卸仍采用人工操作的装卸设备，自动化水平低。而且港口在业内被公认为拥有最复杂的环境[1]（高温、大风、暴雨、大雪等各种严峻考验），不适宜铺设有线网络。因此将无线通信技术应用到码头作业中，对于提高码头作业效率，促进港口智能化具有重要的意义。

　　目前国内外已经将物联网技术逐渐应用到港口运作管理中。Schmidt Rene综合运用FM广播技术、加速度计、IEEE 892.15.4无线通信协议和GPS来监控集装箱运输的安全[2]。Laniel M针对RFID技术在具有金属外壳包装的情况下集装箱监控做了相关研究，实验得出天线位置放置侧面较好，而且采用433 MHz进行通信效果最好[3]。Rizzo Francesco等将RFID技术应用到集装箱的安全管理中，给出了详细的技术路线，并做了相关实验，得出该系统可靠[4]。Choi Hyung Rim将RFID技术运用到集卡道口中，实现了集装箱自动识别，提高了工作效率[5]。刘千波运用无线通信技术实现中控室与卸船机无线通信，为该公司创造了很好的效益[6]。林健伟运用CDMA技术将卸船机PLC与外部网络相连，完善了卸船机的故障报警功能，并形成可视界面实现卸船机实时监测[7]。

　　在路由算法方面，ZigBee采用的路由算法主要有3种：Cluster-tree、AODVjr、Cluster-tree&AODVjr[8-10]，其中Cluster-tree和AODVjr算法各有优缺点，最后一种虽然结合了以上两种路由的优点但是路由开销相对仍较大，许多学者针对已有路由存在的问题，提出了一些改进算法。郭状辉提出一种降低路由开销的ZigBee路由算法，根据目的节点和源节点的深度进一步限制传输范围，同时根据树的结构来限制路由的转发方向，从而降低路由开销[11]。刘伟针对机场场面监控，提出了利用地理位置信息的ZigBee的路由协议，在原有AODVjr算法基础上，采用路由期望域和寻找域的方法，使路由具有较高的目的性和方向性，有效地降低了路由开销、减少了时延[12]。

　　本文利用CC2530芯片设计基于ZigBee技术的无线传感器节点模块，借助OPNET软件对ZigBee网络进行仿真来找到合适的网络拓扑结构；再次，使用设计好的ZigBee节点进行实际组网测试，通过实验论证该方案在船舱边缘识别应用中的可行性；最后结合本文应用背景，改进了ZigBee路由算法并进行了仿真验证。

　　1 船舱识别的物联网系统设计

　　1.1 基于OPNET的ZigBee网络仿真

　　在进行实际组网之前，可以通过仿真软件模拟实际场景，考察ZigBee网络各方面的性能，如数据收发延时，通信丢包率等等。

　　图1所示为船舱识别模型，在船舱的四个角放置GPS+ZigBee模块，GPS中的数据通过RS232通信协议与ZigBee模块通信，ZigBee模块再将GPS发送过来的位置信息无线发送给网关节点或中心节点，接收到所有GPS节点的位置信息后，就可以初步得到船舱边缘的形状和船舱的位置，在信息到达网关节点的途中，通过由ZigBee节点组成的无线传感网络进行数据转发。

　　图1 船舱识别模型

　　1.1.1 网络拓扑结构

　　在建立网络拓扑之前，设置船舶为9万吨左右的散货船，船长150 m，船宽12 m。仿真网络拓扑结构如图2所示。

　　图2 网络拓扑结构图

　　1.1.2 设置及结果分析

　　通过配置业务和收集统计量，节点router_5～8将转发数据到中心节点，其余节点（主要指路由节点）负责转发来自节点5～8的数据包，设置仿真时间为10 min。在实际网络应用过程中，数据接收的可靠性及丢包率，数据延时是两个主要考虑的指标。除此以外，当节点失效以及节点移动时，网络工作是否可靠，数据是否还能正常传输，也是需要考虑的。

　　（1）理想情况下的节点数据收发

　　在图3所示的数据收发中，第一幅表示协调器应用层共接收到的数据，接下来4幅图表示节点5～8应用层发送的数据，从图3可以看出，发送的数据和接收的数据基本相等，符合组网要求，即数据传输的稳定性有保障。

　　（2）节点数据收发延时

　　另外，网络延时也是需要考虑的，延时显示如图4所示。

　　纵坐标单位为秒，横坐标单位为分，从图4可以看出，其平均延时为0.023 s，除开始阶段延时较大外，后续延时呈现出稳定状态。

　　（3）节点失效以及节点移动时数据收发

　　在实际应用的过程中，节点可能会失效，在这里进行网络仿真，模拟其中一个节点失效。在该仿真中在第5分钟的时候将节点4移出通信范围，相当于节点4失效。具体的仿真结果如图5所示。

　　图3 数据收发

　　图4 数据收发延迟

　　图5 节点失效仿真结果

　　在数据进行传输的过程中，实际中船会发生摇晃等运动。这里通过给节点设置运动轨迹来模拟实际中船的运动。设置节点运动的范围为以节点为中心2 m范围内。仿真结果如图6所示。从图6可以看出，节点4～8移动幅度不是很大的时候，数据收发数量相等，即节点移动基本不影响数据的传输。可知，采用ZigBee技术符合应用的要求。